CN108011641B - 一种lte基站的空中转发装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LTE基站的空中转发装置，包括转发单元、射频前端以及发射接收天线，通过将信号在空中进行无失真频谱搬移放大后转发出去，再在地面进行接收频谱还原的方式，实现LTE信号的转发。且系统有成本低，架设简单，可维修性强，低功耗，可靠性高等优点，且空中转发单元架设位置灵活性大，解决了盲区覆盖以及部分偏远地区和用户不多的地区，要架设基站成本太高的问题；且内部集成大动态范围的可变增益放大器，可以实现远距离与近距离覆盖；且自动实现收发时隙切换，切换时间可以忽略，不会出现由于切换延时导致数据丢失现象；且系统内部各部分频率可变范围比较广，方便更换频段进行转发，只需将滤波器频段对应更改即可，可拓展与通用性较强。

Description

一种LTE基站的空中转发装置

技术领域

本发明涉及通信领域中一种LTE基站的空中转发装置，适用于微波通信领域中TDD-LTE通信系统中，覆盖信号质量差，或者覆盖盲区，以及特殊地形不方便架设基站的通信系统。

背景技术

良好的无线覆盖是保障通信网络质量和指标的前提。由于地形环境、功率大小的影响，无线广播信号覆盖区域会存在弱信号区或者盲区。如城市楼宇林立，存在大量地面信号弱区和盲区；再者一些偏远地区和用户不多的地区，要架设基站成本太高。数字转发器可以将发射信号先接收下来，进行解调，然后再重新调制发射出去，可以实现信号的远距离覆盖，及盲区覆盖，但是这种方式对ADC、DAC器件有较高的采样速率和较大的工作带宽，FPGA的性能也要好，这种方式成本太高，复杂度也太高，不易于维修；现有的TD-LTE的射频直放站，首先需要解决设计帧同步算法，设计帧同步电路，否则无法正常地在上下行的收发切换；现有的移频直放站，是在基站端加一近端机将信号搬移到其他频段，在终端端加一远端机再变回通信频段，若两地之间有山或者其他建筑遮挡，导致远端机无法接收到近端机信号时，还是无法实现基站终端通信；现有的同频转发器，由于转发的收发频率相同，需要设计很高的收发隔离度，否则很容易产生自激。，因此设计成本低，结构简单，易于架设，易于开通，易于维修的转发模块是目前通信需要解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是设计一种LTE基站的空中转发装置，本发明电路中采用了一种切换结构，可以有效的切换收发状态，不需要考虑基站或者终端现有的状态是发射时隙还是接收时隙，可以实现状态切换0延时；电路中采用了大动态模拟AGC电路，可以自动调节电路增益，发射功率，使得转发装置可以适合远近不同距离的信号转发；由于模块有空中转发模块，可以在有遮挡的情况下，将转发模块放置在基站与终端之间某一位置，使得转发模块与基站以及与终端之间都无遮挡，实现可靠通信，灵活性比较强。且装置体积比较小，方便固定架设。有效解决通信覆盖距离问题，覆盖盲区，以及边远通信，不方便假设基站等的问题。

本发明采用的技术方案为：

一种用于LTE的空中转发装置，包括转发单元1、用于发射和接收的第一天线至第六天线4-9、第一射频前端2和第二射频前端3；

基站发送，终端接收方向：

上行链路，LTE基站输出的射频调制信号送入第一射频前端2，通过第三天线6发射出去；空中部分，第一天线4将射频调制信号接收入转发单元1，转发单元1将射频调制信号转换成异频调制信号，通过第二天线5发送出去；下行链路，第六天线9将异频调制信号接收入第二射频前端3，第二射频前端3将异频调制信号转变成LTE频率信号送入终端；

终端发送，基站接收方向：

上行链路，终端输出的射频调制信号送入第二射频前端3，通过第五天线8发射出去；空中部分，第一天线4将射频调制信号接收入转发单元1，转发单元1将射频调制信号转换成异频调制信号，通过第二天线5发送出去；下行链路，第四天线7将异频调制信号接收入第一射频前端2，第一射频前端2将异频调制信号转变成LTE频率信号送入LTE基站。

其中，所述转发单元1包括第一滤波器10、第一放大器11、第二滤波器12、第一混频器13、第三滤波器14、第一可变增益放大器15、第二可变增益放大器16、第四滤波器17、耦合器18、功率放大器19、检波电路20、控制电路21、第一数字电路22、第一频率源23和第二放大器24；第一天线4输出的射频调制信号依次经过第一滤波器10、第一放大器11和第二滤波器12后输出至第一混频器13；第一数字电路22控制第一频率源23产生所需的本振信号，本振信号经第二放大器24放大后输出至第一混频器13；第一混频器13将放大、滤波后的射频调制信号与放大后的本振信号进行混频后输出异频信号至第三滤波器14进行滤波；滤波后的异频信号依次经过第一可变增益放大器15和第二可变增益放大器16进行增益放大；第一可变增益放大器15和第二可变增益放大器16分别在控制电路21的控制下对异频信号进行增益放大，增益放大后的异频信号输出至第四滤波器17；第四滤波器17将增益放大后的异频信号进行滤波后经耦合器18输出至功率放大器19；功率放大器19将增益放大后的异频信号进行功率放大并由第二天线5发射出去；耦合器18将耦合出的小信号输出至检波电路20；检波电路20检测小信号的电压，将电压值输出至控制电路21；控制电路21根据电压值控制第一可变增益放大器15和第二可变增益放大器16的增益。

其中，所述第一射频前端2和第二射频前端3结构相同，均包括：第一环形器25、第三放大器26、第五滤波器27、第二混频器28、第四放大器29、第六滤波器30、第二环形器31、第二数字电路32、第二频率源33和第五放大器34；

射频调制信号依次经第一环形器25和第二环形器31输出；异频调制信号依次经第二环形器31、第六滤波器30和第四放大器29后输出至第二混频器28；第二数字电路32控制第二频率源33产生所需的本振信号，本振信号经第五放大器34放大后输出至第二混频器28；第二混频器28将放大、滤波后的异频调制信号与放大后的本振信号进行混频后转变成LTE频率信号输出至第五滤波器27；第五滤波器27将LTE频率信号经第三放大器26放大后经第一环形器25输出。

本发明相比背景技术具有如下优点：

1.本发明电路部分不需要高速的ADC，DAC电路，也不需要强大的FPGA,数字部分只需要一片普通的单片机，实现SPI以及对AD检波值的监控，链路状态监控即可。

2.本发明的转发单元，采用了异频转发的方式，通过采用高抑制度滤波器以及高隔离的盒体结构设计，可以很好的进行转发信号与接收信号隔离。使得彼此通道之间不会互相干扰，实现高性能的通信能力。

3、本发明的转发单元部分加入了两级可变增益的放大器，通过检波电路，得到接收信号电平，从而控制放大器的增益，且对信号电平增益控制锁定时间很短，us数量级，保证LTE信号每个发射时隙信号发射功率，实现不同通信距离下，保证相同的发射能力。

4.空中转发模块，可以架设在基站与终端之间任意位置，架设站点的选择简单，对环境适应性更强，更加灵活。

5、本发明中的各模块中的本振信号频率，均通过MCU可控，可以在宽范围内更改转发频率，混频器件也是大动态范围，工作频率比较宽，故本发明可以扩展至不同的频率，只需更改模块中的滤波器到对应转发频率即可。

6.本发明的射频前端部分采用了一种环形器结构，使得收发切换延时基本可以忽略，可以保证LTE信号进行收发时隙切换时，转发装置不会因为切换时延导致信号部分丢失。

7.本发明分成几个独立的模块，性能稳定可靠，方便维护与调试，具有成本低，架设简单，可维修性强，低功耗，可靠性高，功能完全等优点。

附图说明

图1是本发明实施原理方框图。

图2为本发明中转发单元的硬件实现框图。

图3为本发明中射频前端的硬件实现框图。

具体实施方式

参照图1，本发明由转发单元1、第一射频前端2、第二射频前端3，以及用于发射接收的第一至第六天线4、5，6，7、,8、9组成。图1为本发明的实施原理框图。

基站发送，终端接收方向：

上行链路，LTE基站输出的射频调制信号送入第一射频前端2，通过第三天线6发射出去；空中部分，第一天线4将射频调制信号接收入转发单元1，转发单元1将射频调制信号转换成异频调制信号，通过第二天线5发送出去；下行链路，第六天线9将异频调制信号接收入第二射频前端3，第二射频前端3将异频调制信号转变成LTE频率信号送入终端；

终端发送，基站接收方向：

上行链路，终端输出的射频调制信号送入第二射频前端3，通过第五天线8发射出去；空中部分，第一天线4将射频调制信号接收入转发单元1，转发单元1将射频调制信号转换成异频调制信号，通过第二天线5发送出去；下行链路，第四天线7将异频调制信号接收入第一射频前端2，第一射频前端2将异频调制信号转变成LTE频率信号送入LTE基站。

本发明转发单元1主要功能是将基站或者终端的发射信号，通过天线接收进模块后，进行滤波，混频，以及AGC，功率放大，使得信号频谱无失真搬移到另一个频段后，以固定功率发射出去，转发单元1中的接收电路采用高隔离度电路，高抑制度的滤波器件，使得天线45收发不会相互干扰。如图2所示，所述转发单元1包括第一滤波器10、第一放大器11、第二滤波器12、第一混频器13、第三滤波器14、第一可变增益放大器15、第二可变增益放大器16、第四滤波器17、耦合器18、功率放大器19、检波电路20、控制电路21、第一数字电路22、第一频率源23和第二放大器24；第一天线4输出的射频调制信号依次经过第一滤波器10、第一放大器11和第二滤波器12后输出至第一混频器13；第一数字电路22控制第一频率源23产生所需的本振信号，本振信号经第二放大器24放大后输出至第一混频器13；第一混频器13将放大、滤波后的射频调制信号与放大后的本振信号进行混频后输出异频信号至第三滤波器14进行滤波；滤波后的异频信号依次经过第一可变增益放大器15和第二可变增益放大器16进行增益放大；第一可变增益放大器15和第二可变增益放大器16分别在控制电路21的控制下对异频信号进行增益放大，增益放大后的异频信号输出至第四滤波器17；第四滤波器17将增益放大后的异频信号进行滤波后经耦合器18输出至功率放大器19；功率放大器19将增益放大后的异频信号进行功率放大并由第二天线5发射出去；耦合器18将耦合出的小信号输出至检波电路20；检波电路20检测小信号的电压，将电压值输出至控制电路21；控制电路21根据电压值控制第一可变增益放大器15和第二可变增益放大器16的增益。

本单元中接收入口滤波器采用国产介质滤波器，有较低的插损，以及较好的矩形系数，保证转发后的信号发射后，不会进入接收通道产生干扰，或者自激，且链路中加入了检波器ADI公司的AD8313，可以实时监测接收到的信号功率，同时加入两级可变增益放大器，也为ADI公司的AD8368，保证不同输入功率下>50dB动态范围，保证相同的转发输出功率，本振生成使用高度集成鉴相器与VCO的芯片SI4133，可控频率范围很广，增益控制链路使用了比例积分电路，通过调节反馈链路电容，可以方便调节锁定时间，满足通信需求。

本发明的第一和第二射频前端2、3部分主要功能是，基站或者终端处于发状态时，将信号无失真的透明发射出去，基站或者终端处于接收状态时，先将空中转发的信号接收进模块，然后，将信号频率无失真搬移到基站或者终端的接收频率处，然后送入基站或者终端，进行接收处理，电路采用高度集成本振源的电路，而且频率可通过编程控制。如图3所示，第一射频前端2和第二射频前端3结构相同，均包括：第一环形器25、第三放大器26、第五滤波器27、第二混频器28、第四放大器29、第六滤波器30、第二环形器31、第二数字电路32、第二频率源33和第五放大器34；

射频调制信号依次经第一环形器25和第二环形器31输出；异频调制信号依次经第二环形器31、第六滤波器30和第四放大器29后输出至第二混频器28；第二数字电路32控制第二频率源33产生所需的本振信号，本振信号经第五放大器34放大后输出至第二混频器28；第二混频器28将放大、滤波后的异频调制信号与放大后的本振信号进行混频后转变成LTE频率信号输出至第五滤波器27；第五滤波器27将LTE频率信号经第三放大器26放大后经第一环形器25输出。本单元中本振生成使用高度集成鉴相器与VCO的芯片SI4133，可控频率范围很广，且收发切换链路不再使用开关切换，而是使用环形器代替开关，可以无时延的响应系统的收发时隙切换，不会出现因链路切换延迟导致信号丢失现象。

本发明工作原理如下：

当基站或者终端处于发射状态时，基站或者终端将信号发射出来后，进入射频前端模块，如图3所示，射频前端模块将信号经过环形器后，进过一段微带线后，从另一个环形器输出，通过天线发射出去，空中转发单元，通过天线接收到射频前端发来的信号后，如图2所示，先将接收到的信号进行滤波后，进入低噪声放大，进行放大，然后二次滤波后，进入混频器，将信号频率无失真搬移到另一个频段，然后经过两级可变增益放大器与检波控制电路组成AGC后，将接收到的信号放大到固定输出功率0.5W，经天线5再发送出去，接收端射频前端模块，通过天线接收到空中转发来的信号后，如图3所示通过环形器，进入射频前端的接收通道，先将信号进行滤波放大后，通过混频器再将信号无失真搬移到LTE基站或者终端的接收频率。通过环形器后进入终端或者基站进行信号接收。

本发明在实现过程中，主要采用以下几点实现信号盲区覆盖，且低成本，低复杂度，方便维修与架设功能：1、.使用分立模块的方法，每个模块可以单独测试，调试，方便维修；2、模块使用的芯片都是成熟量产芯片，且没有像FPGA等的成本较高芯片，模块的板材均使用的最普通的FR4板材，两层电路板即可，成本较低。3、.射频前端模块与转发单元体积较小，射频前端单元体积为144*119*15mm，转发单元体积为：178.5*110.5*13mm，体积小，使用时地面部分，只需要将基站或者终端的天线口接到射频前端模块的射频信号输入接口，射频前端输出接口接两个全向天线即可，空中转发部分只需要将其放置在基站跟终端之间的一个位置，与基站与终端之间都视野相对开阔，无明显遮挡即可，由于体积小很方便架设。4、本发明中，空中转发模块内部使用了两级增益可控制的放大器，可以很好的实现近距离与远距离的覆盖100m-10Km，不会出现信号饱和失真或者信号幅度太低，基站或者终端无法接收的现象。5，每个模块的供电都为5V，且电流很小，转发单元不超过1.2A，射频前端部分不超过0.5A，使用时供电只需要连接上充电电池或者移动电源均可工作。天线接头均为SMA-K，方便安装与拆卸，且加电后，即可随时准备工作，不需要繁琐的链路参数配置，6、每个单元模块中，均有状态检测本振锁定，功率检测等功能，可以方便监控链路状态，以及进行模块维修等。

Claims (2)

1.一种LTE基站的空中转发装置，包括转发单元(1)和用于发射和接收的第一天线至第六天线(4-9)；其特征在于：还包括第一射频前端(2)和第二射频前端(3)；

基站发送，终端接收方向：

上行链路，LTE基站输出的射频调制信号送入第一射频前端(2)，通过第三天线(6)发射出去；空中部分，第一天线(4)将射频调制信号接收入转发单元(1)，转发单元(1)将射频调制信号转换成异频调制信号，通过第二天线(5)发送出去；下行链路，第六天线(9)将异频调制信号接收入第二射频前端(3)，第二射频前端(3)将异频调制信号转变成LTE频率信号送入终端；

终端发送，基站接收方向：

上行链路，终端输出的射频调制信号送入第二射频前端(3)，通过第五天线(8)发射出去；空中部分，第一天线(4)将射频调制信号接收入转发单元(1)，转发单元(1)将射频调制信号转换成异频调制信号，通过第二天线(5)发送出去；下行链路，第四天线(7)将异频调制信号接收入第一射频前端(2)，第一射频前端(2)将异频调制信号转变成LTE频率信号送入LTE基站；

其中，所述转发单元(1)包括第一滤波器(10)、第一放大器(11)、第二滤波器(12)、第一混频器(13)、第三滤波器(14)、第一可变增益放大器(15)、第二可变增益放大器(16)、第四滤波器(17)、耦合器(18)、功率放大器(19)、检波电路(20)、控制电路(21)、第一数字电路(22)、第一频率源(23)和第二放大器(24)；第一天线(4)接收到的的射频调制信号依次经过第一滤波器(10)、第一放大器(11)和第二滤波器(12)后输出至第一混频器(13)；第一数字电路(22)控制第一频率源(23)产生所需的本振信号，本振信号经第二放大器(24)放大后输出至第一混频器(13)；第一混频器(13)将放大、滤波后的射频调制信号与放大后的本振信号进行混频后输出异频信号至第三滤波器(14)进行滤波；滤波后的异频信号依次经过第一可变增益放大器(15)和第二可变增益放大器(16)进行增益放大；第一可变增益放大器(15)和第二可变增益放大器(16)分别在控制电路(21)的控制下对异频信号进行增益放大，增益放大后的异频信号输出至第四滤波器(17)；第四滤波器(17)将增益放大后的异频信号进行滤波后经耦合器(18)输出至功率放大器(19)；功率放大器(19)将增益放大后的异频信号进行功率放大并由第二天线(5)发射出去；耦合器(18)将耦合出的小信号输出至检波电路(20)；检波电路(20)检测小信号的电压，将电压值输出至控制电路(21)；控制电路(21)根据电压值分别控制第一可变增益放大器(15)和第二可变增益放大器(16)的增益。

2.根据权利要求1所述的一种LTE基站的空中转发装置，其特征在于：所述第一射频前端(2)和第二射频前端(3)结构相同，均包括：第一环形器(25)、第三放大器(26)、第五滤波器(27)、第二混频器(28)、第四放大器(29)、第六滤波器(30)、第二环形器(31)、第二数字电路(32)、第二频率源(33)和第五放大器(34)；

基站或者终端发射的调制信号依次经第一环形器(25)和第二环形器(31)输出；第六天线(9)接收的异频调制信号依次经第二环形器(31)、第六滤波器(30)和第四放大器(29)后输出至第二混频器(28)；第二数字电路(32)控制第二频率源(33)产生所需的本振信号，本振信号经第五放大器(34)放大后输出至第二混频器(28)；第二混频器(28)将放大、滤波后的异频调制信号与放大后的本振信号进行混频后转变成LTE频率信号输出至第五滤波器(27)；第五滤波器(27)将LTE频率信号经第三放大器(26)放大后经第一环形器(25)输出。